一种基于硅光电倍增器的脉冲光响应动态范围测量方法与流程

本发明属于微弱光探测方法技术领域，具体涉及一种基于硅光电倍增器的脉冲光响应动态范围测量方法。

背景技术：

所谓脉冲光响应动态范围(参考文献：D.Renker，E.Lorenz,Advances in solid state photon detectors，JINST，Vol.4，P04004，(2009)pp.1-56)，是指脉冲光照射到光探测器时，光探测器能探测到的脉冲光子数的范围。现有的硅光电倍增器(即Silicon Photomultiplier，简称SiPM)的动态范围的测量方法是(T.Bretz，T.Hebbeker,M.Lauscher等人，Dynamic range measurement and calibration of SiPMs，JINST，2016，11，P03009，1-26)，在SiPM正常工作的条件下，首先用电荷数字转换器(QDC)或模拟数字转换器(ADC)等仪器测量SiPM输出脉冲电信号的1倍脉冲的幅度；然后是将短脉冲光照射到SiPM的光敏面上，逐渐增加脉冲光的强度，逐次测量SiPM输出脉冲电信号的平均幅度，除以1倍脉冲的幅度得到SiPM探测到的光子数，并逐次记录下脉冲光源旋钮的各次刻度；接着撤去光强衰减倍数已知的光衰减器，用标准探测器(如：PIN光电二极管等)和灵敏电流表对脉冲光源各次刻度所对应的光子进行定标和换算；之后以各次入射光子数为横坐标，以SiPM各次探测到的光子数为纵坐标，画出曲线，即为SiPM的动态范围曲线；而该方法存在的问题是：(1)利用标准探测器(如：PIN光电二极管等)和灵敏电流表进行光强定标需要使用重复频率超过1MHz以上的激光器才能定标准确，这对激光器提出了较高要求，因为不少激光器的重复频率小于100kHz；(2)需要在每进行一次动态范围的测量时，都要用标准探测器定标一遍光强，操作步骤较为繁琐；(3)QDC或ADC自身的动态范围很有限，当SiPM输出信号幅度大时，QDC或ADC会饱和而无法工作。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于硅光电倍增器的脉冲光响应动态范围测量方法，克服现有的硅光电倍增器脉冲光响应动态范围测量方法存在的需要标准探测器定标光强、对激光器重复频率要求高及测量装置复杂的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于硅光电倍增器的脉冲光响应动态范围测量方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、构建测量装置；

测量装置，包括有硅光电倍增器，硅光电倍增器的一个电极通过导线与高压电源连接，硅光电倍增器的另一个电极通过50欧电阻接地，50欧电阻两端信号通过同轴电缆与高速放大器连接，高速放大器通过同轴电缆与数字示波器连接；短脉冲光源通过光纤依次与光纤衰减器、硅光电倍增器连接；

步骤2、经步骤1后，记录SiPM的1个光子等效(简称1p.e.)脉冲幅度，换算出1p.e.的原始脉冲的幅度；

步骤3、经步骤2后，调节光强当SiPM输出脉冲幅度的平均等效光子数为3～5个时，经换算得到入射光脉冲的单脉冲平均光子数(N₀)；

步骤4、经步骤3后，撤掉高速放大器，将SiPM输出的信号直接通过50欧阻抗同轴电缆通入数字示波器；

步骤5、经步骤4后，逐步线性增加光强，使SiPM输出电脉冲幅度增加，记录下各次SiPM输出电脉冲的幅度以及对应的短脉冲光源光强调节旋钮的刻度；

步骤6、用经步骤5记录下的各次SiPM输出电脉冲的幅度除以经步骤2得到的SiPM输出1p.e.的原始脉冲的幅度，即得到各次SiPM输出电脉冲的等效光子数；

步骤7、根据步骤3所得到的单个光脉冲的平均光子数(N₀)以及脉冲光源刻度与光强的对应关系，计算之后各次入射到SiPM光敏面上的单个光脉冲的平均光子数；

步骤8、待步骤7完成后，以光子数为横坐标，以SiPM输出电脉冲的等效光子数为纵坐标，画出各次实验点，所有实验点所连成的曲线即为动态范围曲线，根据动态范围曲线的渐近值，即能读出SiPM的动态范围。

本发明的特点还在于：

步骤1中：

高速放大器仅在准确测量SiPM输出的1个等效光子的原始脉冲的幅度时使用；

短脉冲光源有光强调节旋钮刻度并且光强线性可调。

步骤2具体按照以下步骤实施：

短脉冲光源经过光纤衰减器衰减后将光照射到SiPM的光敏面上，同时将SiPM输出的原始电脉冲信号通入一个放大倍数已知的高速放大器，高速放大器输出的信号通入数字示波器；

从数字示波器上记录1p.e.脉冲的幅度，再除以高速放大器的放大倍数，即得到SiPM输出的1p.e.对应的原始脉冲的幅度。

步骤3具体按照以下步骤实施：

调节短脉冲光源的光强调节旋钮并记下相应的刻度值，使SiPM输出电脉冲幅度平均等效的光子数约为3～5个，再除以SiPM的光子探测效率(PDF)，即得到入射到SiPM上的单个光脉冲的平均光子数。

步骤3中所得到的SiPM输出电脉冲等效的光子数，还可以不被SiPM的光子探测效率除，直接作为动态范围图的一个横坐标值，再算出以后各次入射光对应的有效光子数N_e作为动态范围图的各横坐标值，具体算法如下：

N_e＝K×N_e0 (2)；

式(2)中，N_e0为硅光电倍增器探测到的初始有效光电子数，N_e为以后各次入射对应的有效光电子数，K为各次光强相对N_e0对应的光强的倍数。

步骤7中的算法具体如下：

N_k＝K×N₀ (1)；

式(1)中，N_k为光强改变后各次光脉冲的平均光子数，K为各次光强相对N₀对应的光强的倍数，N₀为步骤3得到的入射到SiPM光敏面上光脉冲的单脉冲平均光子数。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明一种基于硅光电倍增器的脉冲光响应动态范围测量方法，在应用中不需要用标准探测器定标光强，只需使用具有光强线性可调的脉冲光源，较为简单。

(2)本发明一种基于硅光电倍增器的脉冲光响应动态范围测量方法，对脉冲光源的重复频率没有要求，有效降低了测量系统的成本。

(3)本发明一种基于硅光电倍增器的脉冲光响应动态范围测量方法，在使用中不易发生仪器饱和现象，因此不易限制测量的动态范围。

(4)即使不具有线性均匀光强刻度的脉冲光源，只需要利用光功率计或标准探测器将将光源按照等间隔光强对旋钮刻度进行一次性标记，即可使用本发明一种基于硅光电倍增器的脉冲光响应动态范围测量方法进行测量，而在整个测量过程中，不再需要光功率计或标准探测器。

附图说明

图1为本发明一种基于硅光电倍增器的脉冲光响应动态范围测量方法的流程图；

图2为本发明一种基于硅光电倍增器的脉冲光响应动态范围测量方法中所用的测试装置的结构示意图；

图3为本发明一种基于硅光电倍增器的脉冲光响应动态范围测量方法的一个实施例的测试效果图。

图中，1.硅光电倍增器，2.高速放大器，3.数字示波器，4.短脉冲光源，5.高压电源，6.光纤衰减器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于硅光电倍增器的脉冲光响应动态范围测量方法，如图1及图2所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1、构建测量装置；

测量装置，其结构如图2所示，包括有硅光电倍增器1，硅光电倍增器1的一个电极通过导线与高压电源5连接，硅光电倍增器1的另一个电极通过50欧电阻接地，50欧电阻两端信号通过同轴电缆与高速放大器2连接，高速放大器2通过同轴电缆与数字示波器3连接；短脉冲光源4通过光纤依次与光纤衰减器6、硅光电倍增器1连接；

其中，高速放大器2仅在准确测量SiPM输出的1个等效光子(等效光子简称p.e.)的原始脉冲的幅度时使用；

短脉冲光源4有光强调节旋钮刻度并且光强线性可调。

步骤2、经步骤1后，记录SiPM的1个光子等效(简称1p.e.)脉冲幅度，换算出1p.e.的原始脉冲的幅度，具体按照以下方法实施：

短脉冲光源4经过光纤衰减器6衰减后将光照射到SiPM的光敏面上，同时将SiPM输出的原始电脉冲信号通入一个放大倍数已知的高速放大器2，高速放大器2输出的信号通入数字示波器3；

从数字示波器3上记录1个等效光子脉冲的幅度，再除以高速放大器2的放大倍数，即得到SiPM输出的1个等效光子(等效光子简称p.e.)的原始脉冲的幅度；

步骤3、经步骤2后，调节光强当SiPM输出脉冲幅度的平均等效光子数为3～5个时，经换算得到入射光脉冲的单脉冲平均光子数(N₀)，具体按照以下步骤实施：

调节短脉冲光源4的光强调节旋钮并记下相应的刻度值，使SiPM输出电脉冲等效的平均光子数(即探测到的光子数)约为3～5个，再除以SiPM的光子探测效率(PDE)，即得到入射到SiPM上的单个光脉冲的平均光子数(因为这时远离饱和区)；

步骤4、经步骤3后，撤掉高速放大器2，将SiPM输出的信号直接通过50欧阻抗同轴电缆通入数字示波器3；

步骤5、经步骤4后，逐步线性增加光强，使SiPM输出电脉冲幅度增加，记录下各次SiPM输出电脉冲的幅度以及对应的短脉冲光源4光强调节旋钮的刻度；

步骤6、用经步骤5记录下的各次SiPM输出电脉冲的幅度除以经步骤2得到的SiPM输出1p.e.的原始脉冲的幅度，即得到各次SiPM输出电脉冲的等效光子数；

步骤7、根据步骤3所得到的单个光脉冲的平均光子数(N₀)以及脉冲光源刻度与光强的对应关系，计算之后各次入射到SiPM光敏面上的单个光脉冲的平均光子数；

N_k＝K×N₀ (1)；

式(1)中，N_k为光强改变后各次光脉冲的平均光子数，K为各次光强相对N₀对应的光强的倍数，N₀为步骤3得到的入射到SiPM光敏面上光脉冲的单脉冲平均光子数；

步骤8、待步骤7完成后，以光子数为横坐标，以SiPM输出电脉冲的等效光子数为纵坐标，画出各次实验点，所有实验点所连成的曲线即为动态范围曲线，根据动态范围曲线的渐近值，即能读出SiPM的动态范围。

本发明一种基于硅光电倍增器的脉冲光响应动态范围测量方法中需要说明的是：步骤3中所得到的SiPM输出电脉冲等效的光子数，可以不被SiPM的光子探测效率(PDE)除，直接作为动态范围图的一个横坐标值(相当于硅光电倍增器探测到的初始有效光电子数N_e0)，再算出以后各次入射光对应的有效光电子数N_e作为动态范围图的各横坐标值，具体算法如下：

N_e＝K×N_e0 (2)；

式(2)中，N_e0为硅光电倍增器探测到的初始有效光电子数，N_e为以后各次入射对应的有效光电子数，K为各次光强相对N_e0对应的光强的倍数。这种做法的好处在于：无需用到光子探测效率(PDE)这个测量参数，减少了误差和不确定度。

实施例

构建测量装置；

测量装置，其结构如图2所示，包括有硅光电倍增器1，硅光电倍增器1的一个电极通过导线与高压电源5连接，硅光电倍增器1的另一个电极通过50欧电阻接地，50欧电阻两端信号通过同轴电缆与高速放大器2连接，高速放大器2通过同轴电缆与数字示波器3连接；短脉冲光源4通过光纤依次与光纤衰减器6、硅光电倍增器1连接；

其中，硅光电倍增器1的型号为S10362-11-025C(日本滨松公司生产)；高速放大器2型号为HSA-Y-2-40，参数为3dB band width10kHz-1.9GHz，noise figure 4.9dB，voltage Gain 40dB(100×)，德国FEMTO公司生产；数字示波器3为DPO4102B-L型数字示波器，(1GHz bandwidth，5GSa/s，Tektronix公司生产)；短脉冲光源4为PDL-800D型皮秒脉冲激光器(德国PicoQuant公司生产，波长670nm，时间半高宽44ps，)；光纤衰减器6为RL-FC-FC-625型圆形可调衰减器(北京杏林睿光科技有限公司生产)；高压电源5为XTHV型精密高压电源(成都新核泰科高压电源有限公司生产)；

硅光电倍增器1被高压电源5加偏压，信号输出端通过同轴电缆连接到高速放大器2进行放大，再通入数字示波器3的通道CH1，用以对硅光电倍增器1输出的1个光子等效(1p.e.)脉冲的幅度进行测量，除以高速放大器2的电压放大倍数即为硅光电倍增器1输出1p.e.脉冲的原始幅度；调节短脉冲光源4的光强调节旋钮并记下相应的刻度，使硅光电倍增器1输出电脉冲平均等效光子数(即探测到的光子数)约为3-5个，除以硅光电倍增器1的光子探测效率(简称PDE，由其出厂测试说明书中获得)，即为入射到硅光电倍增器1上的单个光脉冲的平均光子数；撤去高速放大器2，逐渐等光强增加短脉冲光源4的输出光强，逐次记录短脉冲光源4光强旋钮的刻度和硅光电倍增器1输出脉冲信号的幅度；用记录的硅光电倍增器1各次输出电脉冲的幅度除以1p.e.的原始脉冲的幅度，即得到硅光电倍增器1各次输出电脉冲的等效光子数；以脉冲光子数为横坐标，以硅光电倍增器1输出电脉冲的等效光子数为纵坐标，画出各次实验点，对画出的各个实验点所连成的曲线，该曲线即为动态范围曲线，动态范围曲线的渐近值即为硅光电倍增器1的动态范围值。

本发明一种基于硅光电倍增器的脉冲光响应动态范围测量方法的准确性验证，如图3所示，可以看出测得的动态范围曲线在单脉冲平均入射光子数较小时，等效探测光子数与单脉冲平均入射光子数近似成线性关系，当单脉冲平均入射光子数较大时，偏离线性，当单脉冲平均入射光子数很大时，硅光电倍增器1(SiPM)输出信号的等效探测光子数趋于饱和，基本不再增加，与国际权威文献所测结果一致(参考文献：L.Grubera,S.E.Brunnera,J.Martona,等人，Over saturation behaviour of SiPMs at high photon exposure，《Nuclear Instruments&Methods in Physics Research》，2014，737(2)：11-18)，同时得到了等效探测光子数高于SiPM自身的像素单元总数的结果，与该参考文献所述现象一致。因此说明本发明硅光电倍增器(SiPM)的一种脉冲光响应动态范围的测量方法是正确可信的。

本发明一种基于硅光电倍增器的脉冲光响应动态范围测量方法，克服了现有的硅光电倍增器脉冲光响应动态范围测量方法中存在的每次都需要标准探测器定标光强，对激光器重复频率要求高，测量装置复杂及成本高的问题。